蝶泳軟機器人實物圖及泳姿。受訪者供圖

萬物皆有啟發(fā)，無論是迅疾的獵豹，還是一枚小小的發(fā)卡。而正是這兩個風馬牛不相及的事物，給一個研究團隊先后帶來了靈感。

研究過程很美好，但投稿卻不太順利。盡管成果遭遇頂刊婉拒，但論文一作赤銀鼎并沒有感到懊惱和焦慮，反而發(fā)出這樣的感嘆：“我很享受研究和投稿的過程。”最終，該論文11月18日發(fā)表于《科學進展》，文章介紹了一款可以蝶泳的軟體機器人，并且被《自然》亮點報道。

“與目前同類軟體機器人每秒最快可以游大約1個身長相比，我們研制的軟體機器人每秒可以游3.74個身長，接近海豚的相對游速，并且游動過程還很省力。”

準備這篇論文的時候，赤銀鼎是美國北卡羅來納州立大學機械航空系副教授尹杰的博士研究生，尹杰是論文的通訊作者。如今，赤銀鼎正在賓夕法尼亞大學做博士后，繼續(xù)開展他喜歡的軟體機器人研究。

來自女生發(fā)卡的靈感

“我們希望研發(fā)出像魔鬼魚一樣的軟體機器人，不僅游泳速度快，還更節(jié)能省力。”

尹杰團隊先后設計了兩種蝶泳機器人：一種注重速度，平均游速可達每秒3.74個身長；一種注重靈活性，可以向右或向左快速轉彎，平均游速每秒1.7個身長。

“動物游泳或飛行時，斯特勞哈爾數(shù)（評估能量效率的無量綱常數(shù)）在0.2～0.4之間會出現(xiàn)最佳的推進效能。”赤銀鼎介紹，“我們設計的兩款蝶泳機器人的斯特勞哈爾數(shù)都在這個范圍內。”

為什么稱其為蝶泳軟體機器人？秘密武器在于翅膀。

“蝶泳軟體機器人翅膀的設計靈感來自女生常用的按扣發(fā)卡。”赤銀鼎指出，按動發(fā)卡的兩個撥片，發(fā)出“啪嗒”一聲后，發(fā)卡可以跳動到另一個穩(wěn)定的狀態(tài)中，軟體機器人的翅膀也可以實現(xiàn)這樣的“雙穩(wěn)態(tài)”。

“我們將模擬發(fā)卡雙穩(wěn)態(tài)的翅膀附著在柔軟的硅膠機身上，通過向機身充入氣體可以控制翅膀在兩種穩(wěn)定狀態(tài)之間切換。”赤銀鼎描述道，“當硅膠機身膨脹和收縮時，軟體機器人的身體也會發(fā)生彎曲，使翅膀能夠靈活擺動，就像蝶泳者通過拍打水面向前游動。”

“以前研發(fā)的這類軟體機器人大多使用電機直接為機翼提供動力。”尹杰說，“我們簡化了設計，降低了重量，保證其在快速游動的同時更省力。”

上一個靈感來自獵豹

大概兩年前，尹杰團隊就已研發(fā)出一款軟體機器人——不僅可以像獵豹一樣離地奔跑，還能輕松抓取物體，更有足夠大的力量可以舉起重物。

這款軟體機器人設計的靈感來自陸地上奔跑速度最快的動物——獵豹。

“獵豹可以通過彎曲脊柱獲得速度和力量。”尹杰說，“我們受此啟發(fā)研制的軟體機器人可以通過將空氣泵入軟硅膠機器人的機身，實現(xiàn)在兩種穩(wěn)定狀態(tài)之間快速切換，讓其在幾十毫秒內存儲和釋放能量，從而快速對地面施加力并實現(xiàn)跑跳。”

尹杰團隊給軟體機器人起了一個名字叫LEAP。尹杰介紹，相比當時報道的最快軟體機器人能以每秒0.8倍體長的速度在平坦表面移動，LEAP能在3Hz的低驅動頻率下以每秒2.7倍體長的速度實現(xiàn)快速“奔跑”。

在研究中，尹杰團隊還通過“鰭”的設計，提高了LEAP的游泳速度，使其能夠以每秒0.78個身長的速度游泳。而當時報道的游泳軟體機器人的最快速度是每秒0.7個身長。

錯失頂刊收獲《自然》亮點報道

而這篇論文的投稿經歷可謂一波三折。

“最開始我們選擇的是機器人領域的頂刊《科學機器人》，并且進入送審階段。雖然審稿人都覺得研究很有意思，并承認設計非常有創(chuàng)新性，但最后還是拒稿了。”尹杰回憶道，“后來我們選擇投《自然》，審稿人覺得我們的驅動設計還有待改進。但好消息是《自然》主編非常認可我們的研究，并表示論文發(fā)表后可以給予亮點報道。”

雖然錯失發(fā)表領域內頂刊的機會，但赤銀鼎并沒有懊惱。他告訴《中國科學報》：“投稿的過程讓我得到了更多有價值的建議，可以幫助我們更好地改進設計。”

一個好的靈感在實現(xiàn)的過程中往往頗具挑戰(zhàn)。研究過程中所遇到的困難也讓赤銀鼎覺得十分有趣：“發(fā)卡肯定不能游泳，但發(fā)卡提供了一個雙穩(wěn)態(tài)結構，而且發(fā)卡很輕。受此啟發(fā)，我們對軟體機器人的驅動和結構進行設計，嘗試了不同的驅動模式、骨架結構以及塑料材料，最后研制出的軟體機器人不僅會蝶泳，重量還很輕，僅2.8克。”

談及應用，尹杰透露，蝶泳軟體機器人可以克服阻力在水里靈活穿梭，有望成為環(huán)保小幫手，用于海面油污清理和富營養(yǎng)化治理。

（原標題《獵豹和發(fā)卡有關嗎 最快蝶泳機器人問世》）

相關論文信息：

https://doi.org/10.1126/sciadv.add3788